道路载荷谱原始数据处理算法的研究

李泽，严思敏，吉丹霞

（陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 710119）

前言

台架寿命试验是考核变速箱可靠性和耐久性的主要手段，台架试验条件的设置是否接近实际工况更是试验成功与否的先决条件[1]。采集车辆的道路载荷谱是获取实际道路工况最准确有效的方法之一，而如何从大量的路谱原始数据中准确提取出所需要的关键信息更是路谱研究工作的重中之重[2]。国外对汽车变速箱耐久试验条件与实际道路工况的匹配做了很多研究，已有完善的路谱采集分析体系并制定了相关试验标准，而国内则是处在起步阶段，缺少具有指导意义的数据库[3]。本文主要从路谱数据的采集、关键信息的提取以及对原始数据进行有效处理的算法三个方面进行路谱工作的相关研究。

1 道路载荷谱原始数据与关键参数

1.1 道路载荷谱原始数据

道路载荷谱主要是由数据采集设备在车辆正常行驶过程中，从发动机CAN总线不断提取车辆行驶的相关信息并记录，从而得到的整个采集时间段内的车辆行驶信息数据。为采集到完整的道路载荷谱，一般会选取路线及使用地区固定的车辆进行长时间采集[4]。以1s的采样间隔为例，采集一个月，假设车辆每天行驶10小时，则采集到的路谱原始数据一共有1080000组，每组数据一般包括该时刻的日期、时间、ECU里程、油门开度百分比、负载百分比、瞬时油耗、车速、发动机转速、扭矩百分比、经纬度、海拔等信息。数据量非常庞大。

为准确而完整地记录路谱信息，建议采样间隔不大于5秒，推荐采样间隔为1s。采样间隔过小会导致采集到的数据过多而增加处理难度；当采样间隔大于5秒时容易漏掉部分工况信息，导致采集得到的数据不能真实反映实际道路工况。

采集到的原始数据会以数采设备适配的格式储存在数据储存卡中，部分数采具有将采集到的数据实时上传到云平台的功能，以便用户随时查看采集过程是否正常。

1.2 关键输入参数

对路谱原始数据的分析计算需要依托于车辆本身的技术参数进行。以某次轻卡城市周边道路谱采集为例，数据处理所需的整车的基本参数如表1所示。

表1 整车的基本配置

2 关键信息提取与算法研究

2.1 路谱原始数据的关键信息提取

对于某次路谱采集的路况特征，一般用以下数据进行描述：（1）整个路谱采集过程中各挡位的使用时间，用以描述该路况下的挡位使用习惯；（2）每个挡位下，任一扭矩段和任一发动机转速段的使用时间，用以描述该挡位使用的工况类型（例：5挡高速低扭段使用时间长，1挡低速高扭段使用时间长）；（3）换挡次数统计，用以考察挡位更换的频繁程度，对同步器寿命验证有重要意义；（4）换挡策略统计，即从某一挡位换入另一挡位的次数统计，用以具体看该路况下的挡位操作习惯（例：1挡、2挡使用时间占比不高，但换挡次数却高于其他挡位，说明部分路况起停操作较频繁，但长时间在固定的高挡位稳定行驶）；（5）加速计算结果，根据“等效损伤理论”（公式1）对每个挡位向某一标准转速和扭矩进行加速转换，加速系数使用AGMA1或其他标准系数。该加速结果是设计变速器耐久试验的关键参数，也是路谱数据采集的主要目的之一；（6）其他信息，如：每个挡位下的车速使用统计和油门使用统计等。

式中：

T——在标准载荷T0 下的总作用时间；

n0——标准载荷T0下的转速；

ni——载荷Ti下的转速；

ti——载荷Ti下和转速ni下的作用时间；

T0——标准载荷；

Ti——第i级载荷；

不难看出，对路谱信息的提取均依托于一个最基本的参数，那就是每一时刻的挡位，而挡位信息却是无法直接采集的（目前国内商用车还是以机械式变速箱为主，无法输出实时挡位信息），因此对挡位信息的提取就成为了路谱数据处理中最关键也是最难的点。

2.2 采集数据分析

目前对挡位信息的提取采用通过其他信息反算的方法，由车速、发动机转速等信息反算出该时刻的速比，更接近变速箱哪个挡位的速比，就认为该时刻挂入该挡位。速比反算公式如下（公式2）：

式中：

if——反算速比

vf——发动机转速/rpm

r——轮胎半径/m

iq——后桥速比

vc——车速 / km/h

但是，由该方法反算出来的速比受到车速及发动机转速波动的影响较大，导致反推的挡位也有许多不合理的波动，这些波动会导致整个路谱数据分析结果不够准确。如何用合理的算法剔除这些波动值，是道路载荷谱原始数据分析的重点和难点。本文介绍一种反算挡位波动值的剔除算法，可以使提取出的实时挡位信息更准确。

该挡位判定算法的原理是通过关键行车参数及在挡位的持续时间对每一时刻的挡位有效性进行判定。具体判定方法如以下流程图1所示，将被判定的时刻记为i时刻，将i时刻的反算挡位值记为“i计算”，将i时刻最终判定的判定挡位值记为“i判定”。

图1 挡位判定算法流程图

通过以上判定算法后，得到的每一时刻的判定挡位值认为是该时刻所使用的挡位。使用判定后的挡位值进行后续路谱数据分析处理，会使分析结果更加准确，尤其是对挡位使用信息的分析会更加符合实际。

利用该算法对每一采集时刻反算挡位的判定可以通过MATLAB 等数学计算软件完成，将判定前后的挡位信息放在一起比较，会发现判定后的挡位明显过滤掉了判定前计算挡位存在的频繁而不合理的数值波动。

3 总结

本文结合在实际路谱采集与分析工作中总结的相关经验，从采集、分析、计算三个方面对路谱采集分析相关工作进行了研究。

路谱采集分析相关工作的重点和难点是对挡位信息的提取，后续所有的分析都是基于每一采集时刻的挡位进行的，本文介绍的挡位判定算法可以有效剔除掉现有挡位算法所引入的大量无效波动值，使挡位计算结果更加合理，使路谱分析结果更加准确。